第五副族金属在高温高压下的力学反常行为

来源 :第十五届全国物理力学学术会议 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wupei0083
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  动态加载或冲击深刻地改变和影响着材料的物理性质和力学响应特性,表征这一剧烈变化的一个重要参数是应变率。高的应变率加载会导致缺陷和位错的产生、融合或撕裂晶粒、并驱动位错和晶界的移动和演化。而具有一定强度的快速冲击将最终形成冲击波,它不但压缩物质至高的压力状态,还将输入的能量以热的形式耗散在材料中,最终的高压-高温热力学状态反过来又根本性地影响着材料的基本物性并在状态方程和力学弹性性质上反映出来。对于简单金属,通常认为如果没有相变发生,则这种压力和温度对材料力学性质的调制是简单的,很容易建立方程模型进行精确的描述。然而这里我将以第五副族金属为例展示情况远非如此。第五副族金属包括钒、铌和钽,它们都具有简单的BCC结构,但却展现出十分复杂和无规律的力学弹性性质。其中以钒的反常最为明显,并在高压下导致BCC至菱形相RH的畸变。在有限温度下,我们新的计算还预测存在一个奇特的RH至BCC的逆相变,出入意料的是这一再入型相变并非如通常有限温度下的相变一样由声子驱动,而是由电子熵引起的。同时,我们还发现剪切模量C44随温度升高的异常增大,这与我们通常的直观认知完全背离,并揭示了罕见的电子“热至硬化”物理机制。与钒不同,金属铌和钽中没有任何的结构相变,但它们也展现出类似的反常行为,其中以钽最弱。特别地,我们预测铌的剪切模量C44和C在20至150 GPa压力区间有一个很强的反常软化,此外C44在275至400 GPa还有第二次软化。有趣的是这两个软化现象背后的物理机制竟然是完全不同的:第一个软化与潜在的RH畸变直接相关,而第二个则源于电子拓扑相变。然而与钒相似,我们的研究揭示了所有这些力学反常行为都敏感地依赖于电子温度,这是以前从未意识到的。随着温度升高,所有的这些反常逐渐消失,第五副族金属最终又回归常规的简单BCC金属。压力和温度对基本的力学弹性性质如此大的反常影响将不可避免地改变相应金属的冲击行为,这是未来实验研究一个非常有趣的主题和方向。
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